1
Содержание 1
Экосистема 2
Свойства экосистем 3
Принципы функционирования экосистем: 5
Классификация экосистем 6
Экосистемы тундры 8
Полярные пустыни. 8
Арктические тундры. 9
Субарктические тундры. 10
Лесотундра 10
Влияние сезонных изменений на жизнедеятельность обитателей Тундры. 11
Структура биоразнообразия арктических экосистем 12
Необходимость изучения и охраны арктических экосистем 15
Список литературы: 17
Экосистема
Живые организмы и их неживое (абиотическое) окружение неразделимо связаны друг с другом и находятся в постоянном взаимодействии. Любая единица (биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему, или экосистему.
Экосистема — основная функциональная единица в экологии, поскольку в нее входят и организмы, и неживая среда — компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга и необходимые для поддержания жизни в той ее форме, которая существует на Земле.
Признаки экосистем:
1) независимость от внешних источников вещества и энергии, но не от солнечного света. Энергия – это способность совершать работу.
2) способность обеспечивать круговорот вещества.
Б
иотический компонент
автотрофы гетеротрофы
(фото- и хемотрофы)
А
биотический компонент
почва, вода климат:
(неорганические и - освещенность;
органические вещества) - температура;
- влажность.
С
олнце
→ биотический компонент → тепловая энергия
биогенные элементы.
Экосистемы состоят из живого и неживого компонентов, называемых соответственно биотическим и абиотическим. Совокупность живых организмов биотического компонента называется сообществом.
Биотический компонент полезно подразделить на автотрофные и гетеротрофные организмы. Таким образом, все живые организмы попадут в одну из двух групп.
Неживой, или абиотический, компонент экосистемы в основном включает почву или воду и климат. Почва и вода содержат смесь неорганических и органических веществ. Свойства почвы зависят от материнской породы, на которой она лежит и из которой частично образуется. В понятие климата входят такие параметры, как освещенность, температура и влажность, в большой степени определяющие видовой состав организмов, успешно развивающихся в данной экосистеме. Для водных экосистем очень существенна также степень солености.
Свойства экосистем1. Эмерджентность (emergence – неожиданно возникающий) – степень несводимости свойств системы к свойствам составляющих ее элементов.
2. Биоразнообразие. Принцип необходимого разнообразия элементов – нижний предел разнообразия равен двум, верхний - стремится к бесконечности.
Основывается на непрерывном круговороте веществ, связанном с направленными потоками энергии. Механизмы поддержания целостности системы основываются на свойствах разнообразия и системности. Разнообразие – необходимое условие устойчивости любой кибернетической системы на фоне внешних и внутренних возмущений (принцип Эшби). Живые системы (организмы, биосфера) функционируют по принципу обратной связи.
Разнообразие – результат эволюции. Чем старее экологическая система, тем более разнообразный видовой состав (старые тропические леса и молодая тайга).
Биологическое разнообразие обеспечивает устойчивость биосферы через множество взаимосвязей и взаимодействий между собой и косным веществом. В биосфере имеется большой набор процессов регулирования с обратной связью и набор циклических процессов, позволяющих ей компенсировать изменяющиеся условия. Поэтому биосфера легко справляется с задачами автоматического регулирования необходимых условий жизни.
Стабильность глобальной экосистемы обеспечивается избыточностью ее функциональных компонентов. Если в экосистеме имеется несколько видов автотрофов, каждый из которых имеет свои оптимальные температурные условия фотосинтеза, то суммарная скорость фотосинтеза может оставаться неизменной при колебаниях температуры.
3. Устойчивость динамической системы и ее способность к самосохранению зависит от преобладания внутренних взаимодействий над внешними. Поскольку основной объединяющий фактор в биогеоценозах – это пищевые цепи, то, чем более многообразен состав, тем устойчивее экосистема. В тропических лесах большое разнообразие видов растений и животных гарантия стабильности. Но и малокомпонентные системы могут быть устойчивы (степь). Дело в экологических особенностях видов. Например, при современной антропогенной нагрузке большое значение приобретают виды – эфемеры (короткоцикличные), которые успевают за короткий период в резко быстрой смены поколений и большой численности приспособляться к необычным стрессам. При устойчивых, необратимых изменениях среды происходит направленная смена типов сообществ, формирование нового климакса.
В биосфере действует закон, связывающий размеры потребляющих органические вещества видов с их численностью и размерами. В потоках вещества и энергии главную роль играют мелкие организмы (бактерии, грибы и т.д.). Доля потребностей позвоночными животными – 1% продуктов биосферы.
Вовлеченность вещества в кругооборот обеспечивается развитой системой информации связи между различными видами живого вещества. Это физические (звук, цвет, свет, температура) и химические (запах) связи. Информационные связи связывают все части системы и способствуют ее устойчивости.
4. Гомеостаз – это состояние внутреннего динамического равновесия природной системы, поддерживаемое регулярным возобновлением ее основных структур, вещественно-энергетического состава и постоянной функциональной саморегуляцией ее компонентов. Это – постоянный газовый состав атмосферы, физические условия поверхности Земли (через озоновый экран), устойчивого состава и концентрации солей Мирового океана. Механизм поддержания целостности системы основывается на свойствах разнообразия и системности.
Биосфера ((по Вернадскому) как целостная система обладает организованностью, механизмами самоподдержания (гомеостаза).
5.Принцип неравновесности – экосистемы являются открытыми и для них характерен приток и отток энергии и вещества, а это возможно только в условиях неравновесности.
6. Равновесие – баланс естественных или измененных человеком средообразующих компонентов и природных процессов, приводящий к длительному существованию данной экологической системы.
7. Живучесть – способность экологической системы выдерживать резкие колебания абиотической среды, массовые размножения или длительные исчезновения отдельных видов, большие антропогенные нагрузки.
Принципы функционирования экосистем:1. Получение ресурсов (вещества, энергии) и избавление от отходов происходит в экосистемах в рамках кругооборота всех элементов.
2. Экосистема существует за счет практически вечной, не загрязняющей среду солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно.
3. Чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень. На концах пищевых цепей не должно быть большой биомассы организмов.
Классификация экосистем
При классификации наземных экосистем обычно используют признаки растительных сообществ (составляющих основу экосистем) и климатические (зональные) признаки. Так, выделяются определенные типы экосистем, например тундра лишайниковая, тундра моховая, лес хвойный (еловый, сосновый), лес лиственный (березняк), лес дождевой (тропический), степь, кустарники (ивняк), болото травянистое, болото сфагновое.
Основные наземные экосистемы:
1. Тундра: арктическая и альпийская;
2. Бореальные хвойные леса;
3. Листопадный лес умеренной зоны;
4. Степь умеренной зоны;
5. Тропические злаковники и саванна;
6. Чапарраль (районы с дождливой зимой и засушливым летом);
7. Пустыня: травянистая и кустарниковая;
8. Полувечнозеленый тропический лес (районы с выраженными влажным и сухим сезонами);
9. Вечнозеленый тропический дождевой лес.
Размещение по земной поверхности основных наземных биомов определяют два абиотических фактора - температура и количество осадков. Климат в разных районах земного шара неодинаков. Годовая сумма осадков меняется от 0 до 2500 мм и более. При этом они выпадают равномерно в течение года или их основная доля приходится на определенный период - влажный сезон. Среднегодовая температура также варьирует от отрицательных величин до 380С. Температуры могут быть практически постоянными в течение всего года (у экватора) или меняться по сезонам.
Экосистемы тундры
Тундра — тундровая зона (финск. tunturi — безлесная, голая возвышенность) — зональный тип безлесных субарктических ландшафтов, разнообразное сочетание которых образует на суше широкую (300-1000 км) полосу вдоль северной окраины субарктического пояса, включая острова.
Арктика занимает около 21 226 тыс. км2, в том числе суша – 7 160 тыс. км2. Российский сектор охватывает не менее трети этой площади. Ему принадлежат основные континентальные не покрытые ледниками территории с наиболее типичными арктическими экосистемами, а также акватории пяти из девяти морей и большая часть центральной части бассейна Северного Ледовитого океана. В материковой части и на островах российской Арктики отчетливо выражены ландшафтно-зональные категории: лесотундра - переходная экотонная полоса; тундровая зона с подзонами южных, типичных и арктических тундр; зона полярных пустынь. На их территориях развиты все основные характерные для Арктики типы и варианты экосистем, фитоценозов, биоценозов и их антропогенные модификации.
Полярные пустыни.Данный биом имеет циркумполярное размещение. В России распространен на островах и архипелагах Ледовитого океана (Северный остров Новой Земли, Земля Франца-Иосифа и др.). Ландшафтное разнообразие здесь обеднено, благодаря молодости поверхностей, экстремальности климата и, соответственно, бедности состава биоты. Широко представлены ландшафты разновозрастных моренных и морских отложений, каменистых субстратов. Микро- и нанорельеф образуется каменистыми кольцами, пятнами, минеральными полигонами, бугорками.
В растительном покрове отмечается полное доминирование споровых растений - водорослей, лишайников, печеночников и мхов. Они образуют тонкую пленку жизни с фрагментами цветковых растений. Локальная флора сосудистых растений (число видов на 100 км2) составляет всего 20-30 видов. Например, флора архипелага Земля Франца-Иосифа, целиком расположенного в биоме полярных пустынь, составляет около 60 видов.
Из позвоночных животных здесь обычны виды, связанные с морем - белый медведь, песец, морж и тюлени. Ландшафты и биота полярных пустынь сохраняется в федеральном заказнике - Земля Франца-Иосифа.
Арктические тундры.Биом имеет циркумполярное размещение. В Европейской России арктические тундры представлены на островах Ледовитого океана (Южный остров Новой Земли, Колгуев и др.), а в Азиатской части России - он образует сравнительно узкую полосу вдоль побережья Карского, Лаптевых, Северо-Восточного и Чукотского морей (полуострова - Ямал, Таймыр, берег Якутии и Чукотки) и распространены на архипелагах - Новосибирские острова и Северная Земля.
Здесь обычны экосистемы приморских равнин с полигональными, пятнистыми и пятнисто-бугорковатыми тундрами, полигональными болотами, солеными маршами дельтовых территорий.
В растительном покрове значительна доля цветковых растений (доминируют дриада восьмилепестковая, дриада точечная, кассиопея четырехгранная, злаки, осоки, камнеломки), лишайники и мхи формируют ярус в 5-10 см, препятствуя глубокому протаиванию мерзлоты. Локальная флора в данном биоме составляет 70-100 видов на 100 км2.
В составе фауны позвоночных обычен северный олень, песец, лемминги, гуси, тундряная куропатка, многочисленные виды уток, куликов.
В последнее десятилетие появилась тенденция разрушения арктических тундр в местах разведки, добычи и транспортировки нефти и газа - на острове Колгуеве, полуостровах Ямал и Гыдан. Редкие и исчезающие виды растений малочисленны, а из редких животных наиболее известны - морж, лебеди, белый гусь и казарки.
Биота и экосистемы арктических тундр репрезентативно представлены в заповедниках - Большом Арктическом (на островах и побережье полуострова Таймыр), Усть-Ленском (устье р. Лена), Остров Врангеля (в Чукотском море).
Субарктические тундры.В структуре ландшафтов преобладают пятнистые и полигональные равнинные тундры, бугристые болота, заросли кустарников в долинах тундровых рек.
В растительном покрове широко представлены кустарники (береза карликовая, ива полярная, ольха), кустарнички (брусника, водяника), осоки и злаки. Исключительно богата флора мхов (150-200 видов в отдельных пунктах). Локальная флора сосудистых растений по сравнению с предыдущим биомом возрастает более чем в 2 раза и составляет 250-300 видов на 100 км2.
Фауна позвоночных увеличивается также в несколько раз - в отдельной географической точке 70-100 видов птиц и около 20-25 млекопитающих. Среди редких видов вызывают интерес сокола (кречет, сапсан), лебеди, гуси, казарка численность которых в ряде регионов падает из-за условий зимовок в более южных регионах и охоты в весенний период.
Биота субарктических тундр в Европейской России охраняется только в Лапландском заповеднике (Кольский полуостров), в Азиатской России - в Таймырском, Путоранском (горные тундры Таймыра), в Усть-Ленском заповедниках, в Ненецком и Берингийском природных парках и в некоторых заказниках.
ЛесотундраЛесотундра (тундролесье)- тип биома, сочетающий участки тундры и леса в субарктическом поясе Северного полушария, в Северной Америке и Евразии. Протягивается с запада на восток полосой шириной от 30 до 400 км, образуя природную зону, расположенную между тундровой зоной на севере и таежной зоной на юге.
В лесотундре широко распространена многолетняя мерзлота и связанные с ней мерзлотные формы рельефа, а также болота и озера. По водоразделам встречаются участки разреженной мохово-лишайниковой тундры, которые чередуются с редколесьями из березы, ели, сосны, лиственницы, ольхи и других видов, произрастающих преимущественно по речным долинам. В лесотундре можно увидеть небольшие «островки» травянистой растительности, а также некоторые стелющиеся кустарники и кустарнички.
Для животного мира лесотундры обычны: волк, горностай, росомаха, заяц-беляк, полевки и др. Очень разнообразны птицы: белая куропатка, гуси, утки, кулики и др. Наиболее важными в хозяйственном отношении животными являются издавна одомашненный северный олень, питающийся ягелем, и собаки породы лайка
Влияние сезонных изменений на жизнедеятельность обитателей Тундры.Весной в тундру приходят многотысячные стада северных оленей (американская форма носит название карибу). Зиму они проводят в тайге и лесотундре, а с весны до осени пасутся на открытых местностях. За оленями следуют волки. Некоторые популяции оленей живут постоянно на арктических островах.
Обычно больше всего поражает множество перелетных птиц, весной устремленных на север. Зимой здесь остаются лишь белые и тундряные куропатки, полярные совы, первыми в тундре появляются пуночки и гуси, в конце мая и в начале июня прилетают многочисленные кулики-песочники, ржанки, различные гуси. В июне в тундре звучат токовые песни, но все же птиц здесь меньше, чем в европейских смешанных лесах (по подсчетам – несколько сотен на 1км2). В ледяных пустынях, кроме морских птиц, можно увидеть лишь немногие виды.
Для тундры характерны резкие сезонные изменения. На восемь – девять зимних месяцев жизнь здесь замирает (исключения составляют грызуны и копытные). К началу лета в растительном войлоке и водоемах развивается неисчислимое множество личинок двукрылых, преимущественно комаров, которыми питаются утки, плавунчики и песочники. К середине лета личинки превращаются во взрослых насекомых; тогда большая часть кормившихся ими птиц покидает тундру. Остаются лишь те, у кого подрастает потомство.
В «лемминговые годы», когда численность этих грызунов резко возрастает, они уничтожают большую часть пригодных в пищу растений. Если в последующие годы количество леммингов уменьшится, растительный покров возобновиться, хищники тогда будут вынуждены охотиться на уток, белых куропаток и других птиц, в результате чего численность этих видов снизится.
Структура биоразнообразия арктических экосистемРоссия играет ключевую роль в сохранении биоразнообразия арктических экосистем, поскольку именно в российском секторе представлены наиболее типичные арктические ландшафты. В американском и тем более европейско-атлантическом секторах заполярные части материков сильно "обрезаны" океаном и тундровые типы биомов развиты в основном на островах. Наиболее ярким воплощением типичных черт арктических территориальных комплексов экосистем следует считать Таймыро-Североземельскую физико-географическую область, где на обширной материковой площади развиты четко сменяющие друг друга все арктические зоны и подзоны. Именно на этой территории соответствующие зональные комплексы экосистем развиты в наиболее высоких широтах, в условиях резкого нарастания климатического пессимума.
В несколько меньшей мере это относится к территориям северо-восточной Субарктики, Ямала и Гыдана. В разных секторах Заполярья характерные черты арктических типов флоры, фауны и экосистем выражены крайне неодинаково, в зависимости от степени континентальности, влияния теплых течений, островных условий.
В российском секторе Арктики обитает около 80% всех видов живых организмов, свойственных для арктических экосистем (суммарное видовое богатство Арктики составляет около 20 000 видов) и 90% типичных арктических видов.
Общее число арктических видов едва ли превышает 3500 (в том числе насекомых - 800, прочих членистоногих - 500; высших растений - 400, рыб - 100, птиц - 74, млекопитающих – 20). В силу особенностей своей экологической "валентности", адаптивного потенциала, образа жизни многие арктические виды чрезвычайно уязвимы по отношению к различным формам нарушений среды.
Структура биоразнообразия арктических экосистем существенно отличается от экосистем других биомов. Например, на насекомых, которые составляют не менее 50% современных видов мировой биоты, в Арктике приходится всего 17%.
В Арктике, занимающей примерно 4% площади Земли, обитает всего около 1% видов организмов. Это обусловлено общим снижением видового разнообразия с юга на север из-за уменьшения количества климатического тепла (рис. 1).
Рисунок 10. Изменение видового богатства локальных флор экосистем Севера вдоль зонального градиента
Еще одна важная черта арктической биоты – резкое снижение видового разнообразия в пределах самой Арктики. Так, на Таймыре от лесотундры до северной гранцы тундровой зоны, на протяжении всего около 700 км, число видов сосудистых растений сокращается в 4 раза, птиц - в 7 раз, жуков - в 15 раз и т. д. Совершенно очевидно, что при столь низком общем уровне видового разнообразия флоры и фауны и прогрессирующем его снижении в пределах самой Арктики резко возрастает эволюционно-экологическая цена каждого вида, равно как и практическая значимость непосредственно используемых человеком, а также ценотическая, средообразующая, эдификаторная роли, удельный вес в видовой структуре сообществ и экосистем.
В Арктике в наибольшей мере должен соблюдаться принцип не выборочного, а максимально полного сохранения биоразнообразия.
Другой характерной чертой структуры и функционирования арктических экосистем является своего рода универсальность, или супердоминантность отдельных видов, которые представлены множеством экологических форм и играют роль сверхмощных доминантов в широком спектре разнообразных сообществ. Примером таких видов могут служить, например, сибирский и копытный лемминги, деятельность которых определяет многие аспекты функционирования тундровых экосистем, а также представитель лососевых рыб альпийский голец, ценнейший промысловый вид Крайнего Севера, который представлен в арктических водоемах множеством морфо-экологических форм, занимающих разнообразные экологические ниши. Этот вид является примером компенсации снижения видового богатства в экстремальных климатических условиях повышением внутривидового разнообразия. Из морских беспозвоночных к числу таких "строителей" биоценозов, или эдификаторов относится рачок каланус (Calanus finmarchicus), составляющий до 90% биомассы планктона и определяющий структуру трофических цепей в пелагиали северных морей, а в пресных водоемах - несколько видов комаров-звонцов, личинки которых ("мотыль") определяют состав биоценозов и рыбопродуктивность тундровых озер.
Естественно, что такие виды в программах сохранения биоразнообразия должны занимать особое положение. Снижение их численности, сокращение ареала или изменение нормальной популяционной структуры, например выборочное уничтожение какой-либо одной внутривидовой формы, подвида приводит к катастрофическим нарушениям в сукцессионных рядах, трофических цепях и экосистемах в целом.
Необходимость изучения и охраны арктических экосистемВследствие малых интенсивностей продукционно-биоэнергетических процессов, низких восстановительных и самоочистительных возможностей в арктических экосистемах и популяциях наблюдаются резонансные эффекты, усиливающие и расширяющие нарушения, возникающие вследствие изменения среды, чрезмерного изъятия поголовья, биозагрязнений или других форм воздействий. Поэтому вероятность полного исчезновения или критического состояния популяций и видов арктических животных и растений, а также локальных сообществ очень высока.
В Арктике, как нигде более, проявляются локальные, точечные и избирательные формы негативных антропогенных воздействий, в том числе уничтожение или подрыв нормального существования популяций отдельных видов. Эти воздействия приобретают здесь особенно большое значение прежде всего в связи с относительно небольшой общей площадью Арктики. Например, любой очаг химического загрязнения поражать относительно большую часть площади Арктики.
Арктические экосистемы представляют особый интерес для разработки дальнейших направлений сохранения и неистощительного использования биоразнообразия в целом. Сведения о том, что происходит в структуре биоты при нарастании климатического пессимума и падении общего уровня видового богатства в условиях высоких широт чрезвычайно важны для понимания факторов и механизмов формирования биологического разнообразия, его реакций на негативные воздействия и нарушения среды, а также для создания технологий использования, сохранения и восстановления, в том числе на основе знания закономерностей природных и антропогенных сукцессий.
Например, в условиях Арктики, в тундровых, пресноводных и морских биотических сообществах особенно отчетливо проявляются разнообразные формы компенсационных явлений, за счет которых поддерживаются стабильность и оптимальное функционирование экосистем при резком или критическом снижении видового разнообразия в экстремальных условиях (супердоминантность, расширение экологических ниш, повышение внутривидового разнообразия и т. д.). Эти же механизмы могут действовать и при отрицательных и стрессовых антропогенных воздействиях, и их можно использовать в различных природопользовательных и восстановительных, рекультивационных технологиях.
Список литературы:
Войткевич Г.В., Вронский В.А. Основы учения о биосфере: Учеб. пособие для студ. вузов. Ростов-на-Дону: Феникс, 1996. 480 с.
Коробкин В.И. Передельский Л.В. Экология. Ростов-на-Дону: Изд-во "Феникс", 2000. 576 с.
Куражковский Ю.Н. Основы всеобщей экологии. Ростов-на-Дону. Изд-во Рост. ун-та, 1992. 144 с.
Одум Ю. Экология / Пер. с англ. Т. 1-2. М.: Мир, 1996. 328 и 376 с.
Чернова Н.М., Былова А.М. Экология: Учеб. пособие для студентов. М.: Просвещение, 1988. 272 с.
Информационные ресурсы BioDat www.biodat
17